电磁场与电磁波3ppt课件

1、第3章 电磁场与电磁波电磁场与电磁波第3章 电磁场与电磁波电磁场与电磁波 本章内容本章内容 3.1 静电场分析静电场分析 3.2 导电媒质中的恒定电场分析导电媒质中的恒定电场分析 3.3 恒定磁场分析恒定磁场分析 3.4 静态场的边值问题及解的惟一性定静态场的边值问题及解的惟一性定理理 3.5 镜像法镜像法 3.6 分离变量法分离变量法 静态电磁场：场量不随时间变化，包括：静态电磁场：场量不随时间变化，包括： 静电场、恒定电场和恒定磁场静电场、恒定电场和恒定磁场 时变情况下，电场和磁场相互关联，构成统一的电磁场时变情况下，电场和磁场相互关联，构成统一的电磁场 静态情况下，电场和磁场由各自的源激

2、发，且相互独立静态情况下，电场和磁场由各自的源激发，且相互独立 第3章 电磁场与电磁波电磁场与电磁波3.1 静电场分析静电场分析 学习内容学习内容 3.1.1 静电场的基本方程和边界条件静电场的基本方程和边界条件 3.1.2 电位函数电位函数 3.1.3 导体系统的电容与部分电容导体系统的电容与部分电容 3.1.4 静电场的能量静电场的能量 3.1.5 静电力静电力第3章 电磁场与电磁波电磁场与电磁波2. 边界条件边界条件0ED微分形式：微分形式：ED本构关系：本构关系：1. 基本方程基本方程0)()(2121EEeDDenSn0ddlEqSDCS积分形式：积分形式：0)(0)(2121EEe

3、DDenn02121ttSnnEEDD或或若分界面上不存在面电荷，即若分界面上不存在面电荷，即SS0 0，那么，那么ttnnEEDD2121或或3.1.1 静电场的基本方程和边界条件静电场的基本方程和边界条件第3章 电磁场与电磁波电磁场与电磁波介质介质2 2介质介质1 121212E1Ene212211221121/tantannnntntDDEEEE 在静电平衡的情况下，导体内部的电场为在静电平衡的情况下，导体内部的电场为0 0，则导体表面的，则导体表面的边界条件为边界条件为 0EeDenSn0tSnED或或 场矢量的折射关系场矢量的折射关系 导体表面的边界条件导体表面的边界条件 介质介质1

4、 1111Ene导体第3章 电磁场与电磁波电磁场与电磁波0E由由即静电场可以用一个标量函数的梯度来表示，标量函数即静电场可以用一个标量函数的梯度来表示，标量函数 称为静称为静电场的标量电位或简称电位。电场的标量电位或简称电位。1. 电位函数的定义电位函数的定义E3.1.2 电位函数电位函数第3章 电磁场与电磁波电磁场与电磁波2. 电位的表达式电位的表达式对于连续的体分布电荷，由对于连续的体分布电荷，由面电荷的电位：面电荷的电位： 1()( )d4VrrVCR故得故得点电荷的电位：点电荷的电位：( )4qrCR()1( )d4SSrrSCR()1( )d4lCrrlCRd)1)(41d)1()(

5、41d)(41)(3VRrVRrVRRrrEVVV3)1(RRR线电荷的电位：线电荷的电位：rrR第3章 电磁场与电磁波电磁场与电磁波3. 电位差电位差两端点乘两端点乘 ，则有，则有ldE将将d)ddd(ddyyyyxxllE上式两边从点上式两边从点P到点到点Q沿任意路径进行积分，得沿任意路径进行积分，得关于电位差的说明关于电位差的说明 P、Q 两点间的电位差等于电场力将单位正电荷从两点间的电位差等于电场力将单位正电荷从P点移至点移至Q 点点 所做的功，电场力使单位正电荷由高电位处移到低电位处；所做的功，电场力使单位正电荷由高电位处移到低电位处； 电位差也称为电压，可用电位差也称为电压，可用U

6、 表示；表示； 电位差有确定值，只与首尾两点位置有关，与积分路径无关。电位差有确定值，只与首尾两点位置有关，与积分路径无关。)()(ddQPlEQPQPP、Q 两点间的电位差两点间的电位差电场力做电场力做的功的功第3章 电磁场与电磁波电磁场与电磁波 静电位不惟一，可以相差一个常数，即静电位不惟一，可以相差一个常数，即)(CC选参考点选参考点令参考点电位为零令参考点电位为零电位确定值电位确定值( (电位差电位差) )两点间电位差有定值两点间电位差有定值 选择电位参考点的原则选择电位参考点的原则 应使电位表达式有意义；应使电位表达式有意义； 应使电位表达式最简单。若电荷分布在有限区域，通常取无应使

7、电位表达式最简单。若电荷分布在有限区域，通常取无 限远作电位参考点；限远作电位参考点； 同一个问题只能有一个参考点。同一个问题只能有一个参考点。4. 电位参考点电位参考点 为使空间各点电位具有确定值，可以选定空间某一点作为参考为使空间各点电位具有确定值，可以选定空间某一点作为参考点，且令参考点的电位为零，由于空间各点与参考点的电位差为确点，且令参考点的电位为零，由于空间各点与参考点的电位差为确定值，所以该点的电位也就具有确定值，即定值，所以该点的电位也就具有确定值，即第3章 电磁场与电磁波电磁场与电磁波在均匀介质中，有在均匀介质中，有5. 电位的微分方程电位的微分方程2在无源区域，在无源区域，

8、0EED02标量泊松方程标量泊松方程拉普拉斯方程拉普拉斯方程第3章 电磁场与电磁波电磁场与电磁波6. 静电位的边界条件静电位的边界条件 设设P1和和P2是介质分界面两侧紧贴界面的相邻两点，其电位分是介质分界面两侧紧贴界面的相邻两点，其电位分别为别为1和和2。当两点间距离。当两点间距离l0时时 若介质分界面上无自由电荷，即若介质分界面上无自由电荷，即 导体表面上电位的边界条件：导体表面上电位的边界条件：0dlim21021PPllESnDDe)(21D由由 和和12媒质媒质2媒质媒质121l2P1P0Snn1122常数，常数，Sn21Snn1122第3章 电磁场与电磁波电磁场与电磁波 例例 3.

9、1.1 求电偶极子的电位求电偶极子的电位. 解解 在球坐标系中在球坐标系中211202104)11(4)(rrrrqrrqrcos)2/(cos)2/(222221rddrrrddrrcos22drr用二项式展开，由于，得用二项式展开，由于，得dr ,cos21drr302020444cos)(rrpreprqdrr代入上式，得代入上式，得 表示电偶极矩，方向由负电荷指向正电荷。表示电偶极矩，方向由负电荷指向正电荷。dqp+q电偶极子电偶极子zodq2r1rr),(rP第3章 电磁场与电磁波电磁场与电磁波ErErrdd21sinCr 将将 和和 代入上式，解得代入上式，解得E E线方程为线方程

10、为ErE 由球坐标系中的梯度公式，可得到电偶极子的远区电场强度由球坐标系中的梯度公式，可得到电偶极子的远区电场强度)sincos2(430eerqr)sin11()(rerererErcos2Cr Crp204cos等位线等位线电场线电场线电偶极子的场图电偶极子的场图电场线微分方程：电场线微分方程：等位线方程：等位线方程：第3章 电磁场与电磁波电磁场与电磁波 解解 选定均匀电场空间中的一点选定均匀电场空间中的一点o o为坐标原点，而任意点为坐标原点，而任意点P P 的位置矢量为的位置矢量为r r，那么，那么000( )( )ddPPooPoElErE r rrrrrrggg若选择点若选择点o为

11、电位参考点，即为电位参考点，即 ，那么，那么( )0o0( )PE r rrg000( )coszPE re r EE r rrr rgg 在球坐标系中，取极轴与在球坐标系中，取极轴与 的方向一的方向一致，即致，即 ，则有，则有00zEe E0Ezree z000( )()cosxzPE re E ee zErrrrgg 在圆柱面坐标系中，取在圆柱面坐标系中，取 与与x轴方向一致，即轴方向一致，即 ，而，而 ，故，故 00 xEe E0E0ExzoPr 例例3.1.2 3.1.2 求均匀电场的电位分布。求均匀电场的电位分布。第3章 电磁场与电磁波电磁场与电磁波xyzL-L( , , ) z z

12、ddlzRz 解解 采用圆柱面坐标系，令线电荷与采用圆柱面坐标系，令线电荷与 z 轴相重合，中点位于轴相重合，中点位于坐标原点。由于轴对称性，电位与坐标原点。由于轴对称性，电位与 无关。无关。在带电线上位于在带电线上位于 处的线元处的线元 ，它，它到点到点 的距离的距离 ，那么那么22()Rzzddlz( , , )Pz 02201()d4()LlLrzzz2200ln() 4LlLzzzz220220()()ln4()()lzLzLzLzL 例例3.1.3 求长度为求长度为2L、电荷线密度为、电荷线密度为 的均匀带电线的电位。的均匀带电线的电位。0l第3章 电磁场与电磁波电磁场与电磁波222

13、2000220002( )lnlnln422lllLLLLLrLL 在上式中若令在上式中若令 ，则可得到无限长直线电荷的电位。当，则可得到无限长直线电荷的电位。当 时，上式可写为时，上式可写为 LRL 当当 时，上式变为无穷大，这是因为电荷不是分布在有限区时，上式变为无穷大，这是因为电荷不是分布在有限区域内，而将电位参考点选在无穷远点之故。这时可在上式中加上域内，而将电位参考点选在无穷远点之故。这时可在上式中加上一个任意常数，则有一个任意常数，则有L 002( )ln2lLrC并选择有限远处为电位参考点。例如，选择并选择有限远处为电位参考点。例如，选择= a 的点为电位参的点为电位参考点，则有

14、考点，则有002ln2lLCa 00( )ln2lar第3章 电磁场与电磁波电磁场与电磁波 例例3.1.4 两块无限大接地导体平板分别置于两块无限大接地导体平板分别置于x = 0和和 x = a 处，处，在两板之间的在两板之间的 x = b 处有一面密度为处有一面密度为 的均匀电荷分布，如下图。的均匀电荷分布，如下图。求两导体平板之间的电位和电场。求两导体平板之间的电位和电场。0S 解解 在两块无限大接地导体平板之间，除在两块无限大接地导体平板之间，除 x = b 处有均匀面电处有均匀面电荷分布外，其余空间均无电荷分布，故电位函数满足一维拉普拉荷分布外，其余空间均无电荷分布，故电位函数满足一维

15、拉普拉斯方程斯方程212d( )0,(0)dxxbx222d( )0,()dxbxax111222( )( )xC xDxC xD方程的解为方程的解为obaxy两块无限大平行板两块无限大平行板0S1( )x2( ) x第3章 电磁场与电磁波电磁场与电磁波0110(),0SbaCDa 002200,SSbbCDa 010020()( ),(0)( )(),()SSabxxxbabxaxbxaa 0110()( )( )Sxa bE xxea1221122021000SDC aDC bDC bDCC 利用边界条件，有利用边界条件，有xb12( )( ),bb0210( )( )Sx bxxxx 处

16、，处，最后得最后得0 x 处，处，1(0)0 x a2( )0a 处，处，所以所以0220( )( )SxbE xxea 由此解得由此解得第3章 电磁场与电磁波电磁场与电磁波电容器广泛应用于电子设备的电路中：电容器广泛应用于电子设备的电路中： 在电子电路中，利用电容器来实现滤波、移相、隔直、旁在电子电路中，利用电容器来实现滤波、移相、隔直、旁 路、选频等作用；路、选频等作用； 通过电容、电感、电阻的排布，可组合成各种功能的复杂通过电容、电感、电阻的排布，可组合成各种功能的复杂 电路；电路； 在电力系统中，可利用电容器来改善系统的功率因数，以在电力系统中，可利用电容器来改善系统的功率因数，以 减

17、少电能的损失和提高电气设备的利用率；减少电能的损失和提高电气设备的利用率； 3.1.3 导体系统的电容与部分电容第3章 电磁场与电磁波电磁场与电磁波 电容是导体系统的一种基本属性，是描述导体系统电容是导体系统的一种基本属性，是描述导体系统 储存电荷储存电荷能力的物理量。能力的物理量。 孤立导体的电容定义为所带电量孤立导体的电容定义为所带电量q与其电位与其电位 的比值，即的比值，即qC 1. 电容电容 孤立导体的电容孤立导体的电容 两个带等量异号电荷（两个带等量异号电荷（q的导的导 体组成的电容器，其电容为体组成的电容器，其电容为12qqCU 电容的大小只与导体系统的几何尺寸、形状和及周围电介质

18、电容的大小只与导体系统的几何尺寸、形状和及周围电介质 的特性参数有关，而与导体的带电量和电位无关。的特性参数有关，而与导体的带电量和电位无关。第3章 电磁场与电磁波电磁场与电磁波 (1) 假定两导体上分别带电荷假定两导体上分别带电荷+q 和和 -q ； (2) 计算两导体间的电场强度计算两导体间的电场强度E； 计算电容的步骤：计算电容的步骤：UqC (4) 求比值求比值 ，即得出所求电容。，即得出所求电容。21dlEU (3) 由由 ，求出两导体间的电位差；，求出两导体间的电位差；第3章 电磁场与电磁波电磁场与电磁波 解：设内导体的电荷为解：设内导体的电荷为q q，则由高斯定理可求得内外导体间

19、，则由高斯定理可求得内外导体间的电场的电场44rr22qqDe,EerrababqbaqrEUba004)11(4d同心导体间的电压同心导体间的电压ababUqC04球形电容器的电容球形电容器的电容aC04当当 时，时，babo 例例3.1.4 3.1.4 同心球形电容器的内导体半径为同心球形电容器的内导体半径为a a、外导体半径为、外导体半径为b b，其间填充介电常数为其间填充介电常数为的均匀介质。求此球形电容器的电容。的均匀介质。求此球形电容器的电容。孤立导体球的电容孤立导体球的电容第3章 电磁场与电磁波电磁场与电磁波 例例 3.1.5 如图所示的平行双线传输线，导线半径为如图所示的平行双

20、线传输线，导线半径为a，两导线，两导线的轴线距离为的轴线距离为D，且，且D a，求传输线单位长度的电容。，求传输线单位长度的电容。l 解解 设两导线单位长度带电量分别为设两导线单位长度带电量分别为 和和 。由。由于于 ，故可近似地认为电荷分别均匀分布在两，故可近似地认为电荷分别均匀分布在两导线的表面上。应用高斯定理和叠加原导线的表面上。应用高斯定理和叠加原理，可得到两导线之间的平面上任一点理，可得到两导线之间的平面上任一点P P 的电场强度为的电场强度为lDa011( )()2lxE xexDx两导线间的电位差两导线间的电位差210011d()dln2D allaDaUElxxDxa故单位长度

21、的电容为故单位长度的电容为001F/mln()ln()lCUDaaD axyzxDa第3章 电磁场与电磁波电磁场与电磁波 例例3.1.6 同轴线内导体半径为同轴线内导体半径为a，外导体半径为为，外导体半径为为b，内外导体，内外导体间填充的介电常数为间填充的介电常数为 的均匀介质，求同轴线单位长度的电容。的均匀介质，求同轴线单位长度的电容。( )2lEe内外导体间的电位差内外导体间的电位差1( )dd2bblaaUEell 解解 设同轴线的内、外导体单位长度带电量分别为设同轴线的内、外导体单位长度带电量分别为 和和 ，应用高斯定理可得到内外导体间任一点的电场强度为应用高斯定理可得到内外导体间任一

22、点的电场强度为故得同轴线单位长度的电容为故得同轴线单位长度的电容为12F/mln( / )lCUb aab同轴线同轴线ln( / )2lb a第3章 电磁场与电磁波电磁场与电磁波2 部份电容部份电容在多导体系统中，任何两个导体间的电压都要受到其余导体在多导体系统中，任何两个导体间的电压都要受到其余导体 上的电荷的影响。因而，研究多导体系统时，必须把电容的上的电荷的影响。因而，研究多导体系统时，必须把电容的 概念加以推广，引入部分电容的概念。概念加以推广，引入部分电容的概念。 在由在由N个导体组成的系统中，由于电位与各导体所带的电荷个导体组成的系统中，由于电位与各导体所带的电荷之间成线性关系，所

23、以，各导体的电位为之间成线性关系，所以，各导体的电位为1(1, 2 ,)Nii jjjqiN式中：式中：(1 , 2 ,)iiiN 自电位系数自电位系数()i jij 互电位系数互电位系数（1） 电位系数电位系数第3章 电磁场与电磁波电磁场与电磁波 i j 在数值上等于第在数值上等于第i 个导体上的总电量为一个单位、而其余个导体上的总电量为一个单位、而其余 导体上的总电量都为零时，第导体上的总电量都为零时，第 j 个导体上的电位，即个导体上的电位，即i j 只与各导体的形状、尺寸、相互位置以及导体周围的介质只与各导体的形状、尺寸、相互位置以及导体周围的介质 参数有关，而与各导体的电位和带电量无

24、关；参数有关，而与各导体的电位和带电量无关；具有对称性，即具有对称性，即i j = j i 。1110( ,1 , 2 ,)jjNii jjqqqqi jNqi j 0 ； 电位系数的特点：电位系数的特点：第3章 电磁场与电磁波电磁场与电磁波若已知各导体的电位，则各导体的电量可表示为若已知各导体的电位，则各导体的电量可表示为 1(1, 2 ,)Nii jjjqiN 式中：式中：(1 , 2 ,)iiiN 自电容系数或自感应系数自电容系数或自感应系数 ()i jij 互电容系数或互感应系数互电容系数或互感应系数 （2） 电容系数电容系数第3章 电磁场与电磁波电磁场与电磁波 i j 在数值上等于第

25、在数值上等于第 j个导体上的电位为一个单位、而其余导个导体上的电位为一个单位、而其余导 体接地时，第体接地时，第 i 个导体上的电量，即个导体上的电量，即 i j i j 只与各导体的形状、尺寸、相互位置以及导体周围的介只与各导体的形状、尺寸、相互位置以及导体周围的介质质 参数有关，而与各导体的电位和带电量无关；参数有关，而与各导体的电位和带电量无关；具有对称性，即具有对称性，即i j = j i 。1110( ,1 , 2 ,)jjNiijjqi jNi i 0 、 ；0()ijij 电容系数的特点：电容系数的特点：第3章 电磁场与电磁波电磁场与电磁波将各导体的电量表示为将各导体的电量表示为

26、 式中：式中：（3） 部分电容部分电容(1, 2 ,)iN()Nijiji iij iCC111()()NNNNii jjijjijiijiijijijijjj ijq 导体导体 i 与导体与导体 j 之间的部分电容之间的部分电容()ijijCij 导体导体 i 与地之间的部分电容与地之间的部分电容 NjjiiiC1第3章 电磁场与电磁波电磁场与电磁波 Ci i 在数值上等于全部导体的电位都为一个单位时，第在数值上等于全部导体的电位都为一个单位时，第 i 个导个导 体上的电量；体上的电量； Ci j Ci j 只与各导体的形状、尺寸、相互位置以及导体周围的介只与各导体的形状、尺寸、相互位置以及

27、导体周围的介质质 参数有关，而与各导体的电位和带电量无关；参数有关，而与各导体的电位和带电量无关；具有对称性，即具有对称性，即Ci j = Cj i 。Ci j 0 ； Ci j 在数值上等于第在数值上等于第 j 个导体的电位为一个单位、其个导体的电位为一个单位、其余余 导体都接地时，第导体都接地时，第 i 个导体上的电量；个导体上的电量；()ij 部分电容的特点：部分电容的特点：第3章 电磁场与电磁波电磁场与电磁波 在多导体系统中，把其中任意两个在多导体系统中，把其中任意两个导体作为电容器的两个电极，设在这导体作为电容器的两个电极，设在这两个电极间加上电压两个电极间加上电压U U，极板上所带

28、电，极板上所带电荷分别为荷分别为 ，则比值，则比值 称为这两个导体间的等效电容。称为这两个导体间的等效电容。q/q U（4等效电容等效电容如下图，有三个部分电容如下图，有三个部分电容112212CCC、导线导线 1 和和 2 间的等效电容为间的等效电容为11221121122C CCCCC导线导线 1 和大地间的等效电容为和大地间的等效电容为12222111222C CCCCC导线导线 2 和大地间的等效电容为和大地间的等效电容为12113221211C CCCCC1 12 212C22C11C大地大地大地上空的平行双导线大地上空的平行双导线第3章 电磁场与电磁波电磁场与电磁波 如果充电过程进

29、行得足够缓慢，就不会有能量辐射，充电过如果充电过程进行得足够缓慢，就不会有能量辐射，充电过程中外加电源所作的总功将全部转换成电场能量，或者说电场能程中外加电源所作的总功将全部转换成电场能量，或者说电场能量就等于外加电源在此电场建立过程中所作的总功。量就等于外加电源在此电场建立过程中所作的总功。静电场能量来源于建立电荷系统的过程中外源提供的能量静电场能量来源于建立电荷系统的过程中外源提供的能量静电场最基本的特征是对电荷有作用力，这表明静电场具有静电场最基本的特征是对电荷有作用力，这表明静电场具有 能量。能量。 任何形式的带电系统，都要经过从没有电荷分布到某个最终任何形式的带电系统，都要经过从没有

30、电荷分布到某个最终电荷分布的建立电荷分布的建立(或充电或充电)过程。在此过程中，外加电源必须克服过程。在此过程中，外加电源必须克服电荷之间的相互作用力而作功。电荷之间的相互作用力而作功。3.1.4 静电场的能量静电场的能量 第3章 电磁场与电磁波电磁场与电磁波1. 静电场的能量静电场的能量 设系统从零开始充电，最终带电量为设系统从零开始充电，最终带电量为 q 、电位为、电位为 。 充电过程中某一时刻的电荷量为充电过程中某一时刻的电荷量为q、电位为、电位为 。 (01) 当当增加为增加为(+ d)时，外电源做功为时，外电源做功为: (q d)。 对对从从0 到到 1 积分，即得到外电源所做的总功

31、为积分，即得到外电源所做的总功为101d2qq 根据能量守恒定律，此功也就是电量为根据能量守恒定律，此功也就是电量为 q 的带电体具有的电的带电体具有的电场能量场能量We ，即，即12eWq 对于电荷体密度对于电荷体密度为的体分布电荷，体积元为的体分布电荷，体积元dV中的电荷中的电荷dV具有的电场能量为具有的电场能量为1dd2eWV第3章 电磁场与电磁波电磁场与电磁波VWVed21SWSSed21故体分布电荷的电场能量为故体分布电荷的电场能量为对于面分布电荷，电场能量为对于面分布电荷，电场能量为111dd222iiiieSiiSiiSSiiiWSSq 对于多导体组成的带电系统，则有对于多导体组

32、成的带电系统，则有iq 第第i i个导体所带的电荷个导体所带的电荷i 第第i i个导体的电位个导体的电位式中：式中：第3章 电磁场与电磁波电磁场与电磁波2. 电场能量密度电场能量密度 从场的观点来看，静电场的能量分布于电场所在的整个空间。从场的观点来看，静电场的能量分布于电场所在的整个空间。EDwe21电场能量密度：电场能量密度：1d2eVWD E V电场的总能量：电场的总能量：积分区域为电场积分区域为电场所在的整个空间所在的整个空间2111ddd222eVVVWD E VE E VEV 对于线性、各向同性介质，则有对于线性、各向同性介质，则有2111222ewD EE EE 第3章 电磁场与

33、电磁波电磁场与电磁波由于体积由于体积V外的电荷密度外的电荷密度0，若将上，若将上式中的积分区域扩大到整个场空间，结式中的积分区域扩大到整个场空间，结果仍然成立。只要电荷分布在有限区域果仍然成立。只要电荷分布在有限区域内，当闭合面内，当闭合面S无限扩大时，则有无限扩大时，则有211 O( O()DRR)、2111d O(.d ) O()0SSDSSR RR故故11dd22SVDSE D V 推证：推证：()DDD ()ddVSDVDSE D R0S11dd22eVVWVDV1()d2VDDV第3章 电磁场与电磁波电磁场与电磁波 例例3.1.7 3.1.7 半径为半径为a a 的球形空间内均匀分布

34、有电荷体密度为的球形空间内均匀分布有电荷体密度为的电荷，试求静电场能量。的电荷，试求静电场能量。5202420622020220154)d49d49(21arrrarrraa10()3rrEera 解：解： 方法一，利用方法一，利用 计算计算 VeVEDWd21 根据高斯定理求得电场强度根据高斯定理求得电场强度 3220()3raEerar故故VEVEVEDWVVVed21d21d2121220210第3章 电磁场与电磁波电磁场与电磁波)()3(2d3d3dd2202030211arrarrarrrErEaraara 方法二：利用方法二：利用 计算计算 VeVWd21 先求出电位分布先求出电位

35、分布 故故5202022021154d4)3(221d21arrraVWaVe第3章 电磁场与电磁波电磁场与电磁波 已知带电体的电荷分布，原则上，根据库仑定律可以计算带电体电荷之间已知带电体的电荷分布，原则上，根据库仑定律可以计算带电体电荷之间的电场力。但对于电荷分布复杂的带电系统，根据库仑定律计算电场力往往是的电场力。但对于电荷分布复杂的带电系统，根据库仑定律计算电场力往往是非常困难的，因此通常采用虚位移法来计算静电力。非常困难的，因此通常采用虚位移法来计算静电力。 虚位移法：假设第虚位移法：假设第i个带电导体在电场力个带电导体在电场力Fi的作用下发生位移的作用下发生位移dgi，则电场力做功

36、，则电场力做功dAFidgi，系统的静电能量改变为，系统的静电能量改变为dWe。根。根据能量守恒定律，该系统的功能关系为据能量守恒定律，该系统的功能关系为dddSiieWF gW其中其中dWS是与各带电体相连接的外电源所提供的能量。是与各带电体相连接的外电源所提供的能量。 具体计算中，可假定各带电导体的电位不变，或假定各带电导体的电荷不变。3.1.5 静电力静电力第3章 电磁场与电磁波电磁场与电磁波1. 各带电导体的电位不变各带电导体的电位不变 此时，各带电导体应分别与外电压源连接，外电压源向系统此时，各带电导体应分别与外电压源连接，外电压源向系统提供的能量提供的能量11dd()dNNSiii

37、iiiWqq1111dd()d22NNeiiiiiiWqq系统所改变的静电能量系统所改变的静电能量即即d2dSeWW此时，所有带电体都不和外电源相连接，那么此时，所有带电体都不和外电源相连接，那么 dWS0，因而，因而2. 各带电导体的电荷不变各带电导体的电荷不变ddiieF gW 式中的式中的“”号表示电场力做功是靠减少系统的静电能量来实现的。号表示电场力做功是靠减少系统的静电能量来实现的。ddiieF gWeiiWFg 不变不变eiiWFg q不变不变第3章 电磁场与电磁波电磁场与电磁波例例3.1.8 有一平行金属板电容器，有一平行金属板电容器，极板面积为极板面积为lb，板间距离为，板间距

38、离为d，用一块，用一块介质片宽度为介质片宽度为b、厚度为、厚度为d，介电常数，介电常数为为部分填充在两极板之间，如下图。部分填充在两极板之间，如下图。设极板间外加电压为设极板间外加电压为U0，忽略边缘效应，忽略边缘效应，求介质片所受的静电力。求介质片所受的静电力。0()lx bbxCdd所以电容器内的电场能量为所以电容器内的电场能量为220001()22ebUWCUlxxd0200()2exUWbUFxd不变由由 可求得介质片受到的静电力为可求得介质片受到的静电力为eiiWFg不变 解解 平行板电容器的电容为平行板电容器的电容为部分填充介质的平行板电容器部分填充介质的平行板电容器dbU0lx由

39、于由于0，所以介质片所，所以介质片所受到的力有将其拉受到的力有将其拉进电容器的趋势进电容器的趋势第3章 电磁场与电磁波电磁场与电磁波22022 ()eqdqWCblxx2020()2 ()exqWdqFxblxx 不变000()bUqCUlxxd200()2xbUFd 此题也可用式此题也可用式 来计算来计算eiiWFg q不变设极板上保持总电荷设极板上保持总电荷q不变，那么不变，那么由此可得由此可得由于由于同样得到同样得到第3章 电磁场与电磁波电磁场与电磁波3.2 导电媒质中的恒定电场分析导电媒质中的恒定电场分析 由由J JE E 可知，导体中若存在恒定电流，则必有维持该电流可知，导体中若存在

40、恒定电流，则必有维持该电流的电场，虽然导体中产生电场的电荷作定向运动，但导体中的电的电场，虽然导体中产生电场的电荷作定向运动，但导体中的电荷分布是一种不随时间变化的恒定分布，这种恒定分布电荷产生荷分布是一种不随时间变化的恒定分布，这种恒定分布电荷产生的电场称为恒定电场。的电场称为恒定电场。 恒定电场与静电场重要区别：恒定电场与静电场重要区别： （1 1恒定电场可以存在导体内部。恒定电场可以存在导体内部。 （2 2恒定电场中有电场能量的损耗恒定电场中有电场能量的损耗, ,要维持导体中的恒定电要维持导体中的恒定电流，就必须有外加电源来不断补充被损耗的电场能量。流，就必须有外加电源来不断补充被损耗的

41、电场能量。 恒定电场和静电场都是有源无旋场，具有相同的性质。恒定电场和静电场都是有源无旋场，具有相同的性质。 第3章 电磁场与电磁波电磁场与电磁波EJ0d0dlESJCS00EJE0)(3.2.1 恒定电场的基本方程和边界条件恒定电场的基本方程和边界条件1. 1. 基本方程基本方程 恒定电场的基本方程为恒定电场的基本方程为微分形式：微分形式：积分形式：积分形式：0 J)(rJ 恒定电场的基本场矢量是电流密度恒定电场的基本场矢量是电流密度 和电场强度和电场强度)(rE 线性各向同性导电媒质的本构关系线性各向同性导电媒质的本构关系0)(EEJ0 E 恒定电场的电位函数恒定电场的电位函数0E02由由

42、若媒质是均匀的，那么若媒质是均匀的，那么 均匀导电媒质中均匀导电媒质中没有体分布电荷没有体分布电荷第3章 电磁场与电磁波电磁场与电磁波2. 恒定电场的边界条件恒定电场的边界条件0dlEC0dSJS媒质媒质2 2媒质媒质1 121212E1Ene0)(21JJen0)(21EEen 场矢量的边界条件场矢量的边界条件nnJJ21即即ttEE21即即 导电媒质分界面上的电荷面密度导电媒质分界面上的电荷面密度nnnSJJJeDDe)()()(221122211121场矢量的折射关系场矢量的折射关系212211221121/tantannnntntJJEEEE第3章 电磁场与电磁波电磁场与电磁波 电位的

43、边界条件电位的边界条件nn221121, 恒定电场同时存在于导体内部和外部，在导体表面上的电场恒定电场同时存在于导体内部和外部，在导体表面上的电场 既有法向分量又有切向分量，电场并不垂直于导体表面，既有法向分量又有切向分量，电场并不垂直于导体表面，因因 而导体表面不是等位面；而导体表面不是等位面；ab11、 说明：说明：第3章 电磁场与电磁波电磁场与电磁波媒质媒质2 2媒质媒质1 12122E1E)(12媒质媒质2 2媒质媒质1 12012Ene1E)0(1 如如21、且、且290，那么，那么10， 即电场线近似垂直于与良导体表面。即电场线近似垂直于与良导体表面。 此时，良导体表面可近似地看作

44、为此时，良导体表面可近似地看作为 等位面；等位面； 若媒质若媒质1为理想介质，即为理想介质，即10，那，那么么 J1=0，故，故J2n=0 且且 E2n=0，即导，即导体中体中 的电流和电场与分界面平行。的电流和电场与分界面平行。第3章 电磁场与电磁波电磁场与电磁波3.2.2 恒定电场与静电场的比拟恒定电场与静电场的比拟 如果两种场，在一定条件下，场方程有相同的形式，边界形状相同，如果两种场，在一定条件下，场方程有相同的形式，边界形状相同，边界条件等效，则其解也必有相同的形式，求解这两种场分布必然是同一个边界条件等效，则其解也必有相同的形式，求解这两种场分布必然是同一个数学问题。只需求出一种场

45、的解，就可以用对应的物理量作替换而得到另一数学问题。只需求出一种场的解，就可以用对应的物理量作替换而得到另一种场的解。这种求解场的方法称为比拟法。种场的解。这种求解场的方法称为比拟法。第3章 电磁场与电磁波电磁场与电磁波恒定电场与静电场的比拟恒定电场与静电场的比拟基本方程基本方程ED,EEJ0202nnttDDEE2121 nnttJJEE2121 静电场（静电场（ 区域）区域） 00d, 0dlESJCS0, 0EJ,Ed0,d0SCDSEl0,0DEnn221121 ,nn221121 ,本构关系本构关系位函数位函数边界条件边界条件恒定电场电源外）恒定电场电源外）对应物理量对应物理量静电场

46、静电场EEDJqI恒定电场恒定电场GC第3章 电磁场与电磁波电磁场与电磁波 例例3.2.1一个有两层介质的平行板电容器，其参数分别为一个有两层介质的平行板电容器，其参数分别为1、1和和2、2，外加电压，外加电压U。求介质面上的自由电荷密度。求介质面上的自由电荷密度。 解：极板是理想导体，解：极板是理想导体，为等位面，电流沿为等位面，电流沿z方向。方向。1212nnJJJJJ 由由12121122,JJJJEE 1212121 1221212()()ddddUUUE dE dJJU 12nnSDD 由由121212,SSDJDJ 下下上上21122121212112()SDDJUdd 介介U1d

47、2d11, 22, zo第3章 电磁场与电磁波电磁场与电磁波 例例3.2.2 填充有两层介质的同轴电缆，内导体半径为填充有两层介质的同轴电缆，内导体半径为a，外导，外导体半径为体半径为c，介质的分界面半径为，介质的分界面半径为b。两层介质的介电常数为。两层介质的介电常数为1和和2 、电导率为、电导率为 1和和2 。设内导体的电压为。设内导体的电压为U0 ，外导体接地。，外导体接地。求：（求：（1两导体之间的电流密度和电场强度分布；（两导体之间的电流密度和电场强度分布；（2介质分介质分界面上的自由电荷面密度。界面上的自由电荷面密度。J1212I外导体外导体内导体内导体介质介质2 2介质介质1ab

48、c11、22、0U第3章 电磁场与电磁波电磁场与电磁波 （1 1设同轴电缆中单位长度的径向电流为设同轴电缆中单位长度的径向电流为I,I,则由则由 可得电流密度可得电流密度Sd,JSI()2IJeac111()2JIEeab 介质中的电场：介质中的电场：222()2JIEebc 解解 电流由内导体流向外导体，在分界面上只有法向分量，电流由内导体流向外导体，在分界面上只有法向分量，所以电流密度成轴对称分布。可先假设电流为所以电流密度成轴对称分布。可先假设电流为I，由求出电流密度，由求出电流密度 的表达式，然后求出的表达式，然后求出 和和 ，再由，再由 确定确定出电流出电流 I。J012ddbcab

49、UEE1E2E第3章 电磁场与电磁波电磁场与电磁波12021()ln()ln()UJeacb ac b 20121()ln()ln()UEeabb ac b 10221()ln()ln()UEebcb ac b 故两种介质中的电流密度和电场强度分别为故两种介质中的电流密度和电场强度分别为120212ln()ln()UIb ac bps sss=+01212ddlnln22bcabIbIcUEEab由于由于于是得到于是得到第3章 电磁场与电磁波电磁场与电磁波12011121ln()ln()SaUeEab ac b 21022221ln()ln()ScUeEcb ac b 121122122102

50、1()()ln()ln()SbeEeEUbb ac b Sne D （2由由 可得，介质可得，介质1内表面的电荷面密度为内表面的电荷面密度为介质介质2外表面的电荷面密度为外表面的电荷面密度为两种介质分界面上的电荷面密度为两种介质分界面上的电荷面密度为J2112I第3章 电磁场与电磁波电磁场与电磁波 工程上常在电容器两极板之间，同轴电缆的芯线与外壳之间，工程上常在电容器两极板之间，同轴电缆的芯线与外壳之间，填充不导电的材料作电绝缘。这些绝缘材料的电导率远远小于金填充不导电的材料作电绝缘。这些绝缘材料的电导率远远小于金属材料的电导率，但毕竟不为零，因而当在电极间加上电压属材料的电导率，但毕竟不为零

51、，因而当在电极间加上电压U U 时，时，必定会有微小的漏电流必定会有微小的漏电流 J J 存在。存在。 漏电流与电压之比为漏电导，即漏电流与电压之比为漏电导，即UIG 其倒数称为绝缘电阻，即其倒数称为绝缘电阻，即IUGR13.2.3 漏电导漏电导第3章 电磁场与电磁波电磁场与电磁波(1) 假定两电极间的电流为假定两电极间的电流为I； 计算两电极间的电流密度计算两电极间的电流密度 矢量矢量J； 由由J = E 得到得到 E ; 由由 ，求出两导，求出两导 体间的电位差；体间的电位差；(5) 求比值求比值 ，即得出，即得出 所求电导。所求电导。21dlEUUIG/ 计算电导的方法一：计算电导的方法

52、一： 计算电导的方法二：计算电导的方法二： (1) 假定两电极间的电位差为假定两电极间的电位差为U； (2) 计算两电极间的电位分布计算两电极间的电位分布 ； (3) 由由 得到得到E; (4) 由由 J = E 得到得到J; (5) 由由 ，求出两导体间，求出两导体间 电流；电流； (6) 求比值求比值 ，即得出所，即得出所 求电导。求电导。ESSJIdUIG/ 计算电导的方法三：计算电导的方法三：静电比拟法：静电比拟法：CG第3章 电磁场与电磁波电磁场与电磁波 例例3.2.3 求同轴电缆的绝缘电阻。设内外的半径分别为求同轴电缆的绝缘电阻。设内外的半径分别为a、b，长度为长度为l ，其间媒质

53、的电导率为，其间媒质的电导率为、介电常数为、介电常数为。解：直接用恒定电场的计算方法解：直接用恒定电场的计算方法电导电导)/ln(2ablUIG绝缘电阻绝缘电阻ablGRln211baablIlIlEUln2d2dlba那那么么IlIJ2lIJE2设由内导体流向外导体的电流为设由内导体流向外导体的电流为I。第3章 电磁场与电磁波电磁场与电磁波012222000, 0U 方程通解为方程通解为21CC 例例3.2.4 在一块厚度在一块厚度h 的导电板上，的导电板上， 由两个半径为由两个半径为r1和和r2的圆的圆弧和夹角为弧和夹角为 0的两半径割出的一段环形导电媒质，如下图。计的两半径割出的一段环形

54、导电媒质，如下图。计算沿算沿方向的两电极之间的电阻。设导电媒质的电导率为方向的两电极之间的电阻。设导电媒质的电导率为。 解：解： 设在沿设在沿方向的两电极之间外加电压方向的两电极之间外加电压U0，则电流沿，则电流沿 方向流动，而且电流密度是随方向流动，而且电流密度是随变化的。但容易判定电位变化的。但容易判定电位 只是只是变量变量 的函数，因此电位函数的函数，因此电位函数 满足一维拉普拉斯方程满足一维拉普拉斯方程代入边界条件代入边界条件可以得到可以得到10020/,CUCU环形导电媒质块环形导电媒质块r1hr2 0J第3章 电磁场与电磁波电磁场与电磁波电流密度电流密度00UJEe两电极之间的电流

55、两电极之间的电流21002001ddlnrSrUU hrIJSee hr故沿故沿方向的两电极之间的电阻为方向的两电极之间的电阻为0021( )ln(/ )URIhrr000UU所以所以00UEee 第3章 电磁场与电磁波电磁场与电磁波3.3.1 恒定磁场的基本方程和边界条件恒定磁场的基本方程和边界条件3.3.2 恒定磁场的矢量磁位和标量磁位恒定磁场的矢量磁位和标量磁位3.3.3 电感电感3.3.4 恒定磁场的能量恒定磁场的能量3.3.5 磁场力磁场力 3.3 恒定磁场分析第3章 电磁场与电磁波电磁场与电磁波0HJB微分形式微分形式: :0dddSSCSBSJlH1. 基本方程基本方程BH2.

56、边界条件边界条件本构关系：本构关系：SnnJHHeBBe)(0)(2121SttnnJHHBB21210或或若分界面上不存在面电流，即若分界面上不存在面电流，即JSJS0 0，那么，那么积分形式积分形式: :0)(0)(2121HHeBBenn或或002121ttnnHHBB3.3.1 恒定磁场的基本方程和边界条件恒定磁场的基本方程和边界条件第3章 电磁场与电磁波电磁场与电磁波 矢量磁位的定义矢量磁位的定义 磁矢位的任意性磁矢位的任意性 与电位一样，磁矢位也不是惟一确定的，它加上任意一个标与电位一样，磁矢位也不是惟一确定的，它加上任意一个标量量 的梯度以后，仍然表示同一个磁场，即的梯度以后，仍

57、然表示同一个磁场，即由由AA 0BBA 即恒定磁场可以用一个矢量函数的旋度来表示。即恒定磁场可以用一个矢量函数的旋度来表示。 磁矢位的任意性是因为只规定了它的旋度，没有规定其散度磁矢位的任意性是因为只规定了它的旋度，没有规定其散度造成的。为了得到确定的造成的。为了得到确定的A，可以对，可以对A的散度加以限制，在恒定磁的散度加以限制，在恒定磁场中通常规定，并称为库仑规范。场中通常规定，并称为库仑规范。0A()AAA 1. 恒定磁场的矢量磁位恒定磁场的矢量磁位矢量磁位或称磁矢位矢量磁位或称磁矢位 3.3.2 恒定磁场的矢量磁位和标量磁位第3章 电磁场与电磁波电磁场与电磁波 磁矢位的微分方程磁矢位的

58、微分方程在无源区：在无源区：ABHJ0A 0J JA202 A矢量泊松方程矢量泊松方程矢量拉普拉斯方程矢量拉普拉斯方程AJ2()AAJ 磁矢位的表达式磁矢位的表达式3( )1( )d( )()d44VVJ rRB rVJ rVRR 1( )()d4VJ rVR ()111()()()()()()J rJ rJ rJ rRRRR 31()RRR 第3章 电磁场与电磁波电磁场与电磁波 磁矢位的边界条件磁矢位的边界条件dddSSCBSASAl( )( )d4VJ rA rVR由此可得出由此可得出（可以证明满足（可以证明满足 ） 0A对于面电流和细导线电流回路，磁矢位分别为对于面电流和细导线电流回路，

59、磁矢位分别为( )( )d4SSJrA rSR面电流：面电流：细线电流：细线电流：d( )4CIlA rR 利用磁矢位计算磁通量：利用磁矢位计算磁通量：ddCSAlBS12ttAA0A d0SAS12nnAA12AA12()nSeHHJ/HA 121211()nSeAAJ第3章 电磁场与电磁波电磁场与电磁波 例例 3.3.1 求小圆环电流回路的远区矢量磁位与磁场。小圆形回求小圆环电流回路的远区矢量磁位与磁场。小圆形回路的半径为路的半径为a，回路中的电流为，回路中的电流为I 。 解解 如下图，由于具有轴对称性，矢如下图，由于具有轴对称性，矢量磁位和磁场均与量磁位和磁场均与无关，计算无关，计算xz

60、平面平面上的矢量磁位与磁场将不失一般性。上的矢量磁位与磁场将不失一般性。(sincos )rxzre rr ee(cossin)rxzre aa eedd(sincos) dxyle aeea 222221 2( sincos)sincos)rrraar221 22sincosraar小圆环电流小圆环电流aIxzyrRdlrIP第3章 电磁场与电磁波电磁场与电磁波对于远区，有对于远区，有r a ，所以，所以21 21 2112121( )sincos1sincosaaarrrrrrr1(1sincos)arr2001( )(1sincos)(sincos)d4xyIaaA reerrrrrr2